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苹果芯片为什么这么强?芯片背后的男人

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原标题:苹果芯片为什么这么强?芯片背后的男人

在iPhone X发布不久,华为就在Facebook上分享一段广告视频,diss苹果Face ID毫无用处。

在广告视频中,华为使用小丑emoji形象,并以动画的表现形式,模拟人脸识别解锁手机的过程,最终解锁失败,暗示并不是所有人都适合面部识别。

没过几天,华为移动又通过其官方Twitter分享了另一个Gif图片,图片中一只苹果被啃食殆尽。

小动作不断的华为,接连“呛声”苹果。此举无疑是为内置AI芯片的麒麟970处理器加戏码。事实上,华为将在10月16日发布“真正的AI手机”Mate10。

当然,以十周年纪念版为噱头的 iPhone X并不脆弱。有了强力“大脑”A11 Bionic 坐镇,它飙起来,恐怕连 iPad Pro 上的 A10X 都要退避三舍。

在长达2小时的苹果发布会里最令人印象深刻的就是这款十周年纪念版iPhone X了。但如果离开了A11 Bionic CPU芯片,iPhone X剩下的恐怕徒具外型。如果A11 Bionic背后没有一支疯狂、专注的芯片开发团队,它也将是一块不足挂齿的芯片。

所以,真正懂门道的内行人更关注的问题是:A11 Bionic芯片背后的苹果 IC设计 团队,究竟是如何打造出这颗带动iPhone X手机的动力引擎出来的?

今天我们就来聊一聊苹果新一代移动处理器, A11 Bionic 芯片开发背后的故事。

从3年前的一场赌注说起

苹果每一款产品内部都装着一颗主宰一切的“大脑”,你所使用的任何应用都要经过它的处理。事实上,这枚小小的芯片,是一门在指尖打造出一座城市的手艺。

▲ 苹果IC设计团队总监、硬件科技资深副总裁Johny Srouji

在苹果芯片世界,有一位幕后操刀手,或许你从未听说过,但他的重要性却不容置疑,甚至不逊色于任何一位苹果高管。

他的名字叫约翰尼斯洛基( Johny Srouji ) ,在苹果公司内部的硬件技术部门担任高级副总裁,掌管苹果的处理芯片团队。

也就是说,iPhone、iPad、Apple TV、Apple Watch 等产品的中央处理器,都是在 Srouji 的带领下完成设计的。 如果说乔纳森(苹果软硬件产品的首席设计师)为众多苹果产品带来了精致的外形设计,那么Srouji和他的团队就是控制这些产品的“大脑”。

自从在 2008 年加入苹果公司之后,Srouji 一直都保持着低调。但随着苹果芯片的信息逐渐为外人所知,这位技术天才也开始出现在聚光灯之下了。

美国知名科技博客 Mashable在苹果发布会后24小时邀请到苹果IC设计团队总监、硬件科技资深副总裁Johny Srouji一揭A11 Bionic芯片的开发背后的秘密。

▲ 苹果 A11 Bionic 芯片

在被问到 A11Bionic 芯片是何时开始着手开发的?Srouji给出的答案令人咋舌。他表示,苹果着手架构芯片,一般从3年前就开始。这意味着A11 Bionic芯片早在2014年间就进行开发工作了,而当时苹果还忙着出货内建A8芯片的iPhone 6。

值得注意的是,2014年时,少有在手机层次上讨论AI和机器学习任务的议题,然当时,苹果在架构芯片开发之际,已经押宝手机SoC内嵌Neural Engine(神经引擎)了。

为什么说苹果早在3年前就押宝iPhone手机SoC内嵌神经引擎、用来执行AI运算任务,这件事让人另眼相看?

要知道,包括AI在内的这些先进演算法,例如Siri,通常系在云端上执行高阶演算,因此,在用户端便需要有网络连结。然而,iPhone X将AI技术导入手机里,显然是想避免把用户个人资料送出手机、送到云端,但iPhone X的AI应用如果想要在手机层次、而非云端层次上执行的话,这也可以解释对于强大运算芯片的需求,因此设计了A11 Bionic处理器上的一对核心。

“芯片设计的烦恼”

在芯片设计上,苹果一直有它独有的思路。

陪同受访的苹果全球行销资深副总裁Phil Schiller一语道破了苹果对于iPhone手机开发过程中对于芯片的重视:对苹果来说,芯片开发可说是iPhone打造过程中必经之路的一部分,绝不是像乐高积木似的可以随便外购,然后堆叠而成。

那么,苹果芯片更新迭代规律又是怎样的呢?

关于芯片研究,苹果从A4到A11的开发过程中,其实并非每一次都是从零开始的。苹果在开发每一代的芯片时,都会先检视前一代的架构,然后再决定到底是要据此改善、还是重新开始。

▲ A11 Bionic 芯片 两个更新的性能核心

以A11 Bionic为例,可说是基于A10 Fusion芯片的效能表现以及部分技术上。苹果全球行销资深副总裁Phil Schiller形容A11 Bionic芯片可说是集设计、架构与技术改变于一身的混合体,有些地方是全新的,有些地方则是对于既有处理器设计的更新。

A10 Fusion,是一个四核处理器,两颗性能核心,两颗能效核心。在处理重量级任务时,使用性能核心;处理轻量级任务时,关闭性能核心,使用能效核心,减少电池消耗。

A11 Bionic 继续沿用这个思路。不同的是,iPhone X处理器第一次采用了六核心,其中两颗为高性能核心,四颗高效能核心。

如此来看,先前导入到A10 Fusion芯片的高功能与高效能核心,也获得了换代更新,包括多了2个核心,以及可以进行非对称多重处理(asymmetric multi-processing)任务,这意味着可以立刻运行1、2、3、4、5或6核心。

结构调整,带来的效益是:A11 Bionic 高性能核心比上一代速度提升 25%,高效能核心速度提升 70%,而多核同时工作性能提升高达 70%。

“神经引擎”的秘密

除了这些在A10 Fusion 核心数、性能升级之外,A11 Bionic 还重新设计了两个全新的杀手锏:神经引擎(Neural Engine)和图形引擎(Graphics Engine)。

▲ Srouji (左二)和库克在以色列与苹果员工在一起

以前,苹果一直在用第三方GPU。本次在A11 Bionic上,苹果做了首款自己设计完成的GPU。至于,苹果为何选择自主研发芯片来执行AI任务?

Srouji表示,Neural Engine(神经引擎) 的开发可说是苹果IC设计团队对于优化系统效率、永无止境追求的体现。这对双核引擎能认出人、地点、物体,还能以每秒6000亿次的速度处理机器学习任务。

但对于部分应用程序或软件而言,有些算法可以更好利用函数程式模型(functional programming model)。这其中也包括了iPhone X最新的脸部追踪和Face ID,以及扩增实境(AR)相关的物体侦测。

这些功能都要用到神经网路、机器学习或是深度学习等。这种类神经处理可以 在CPU上运行,若能在GPU上处理则更佳。

对于这种类神经网络的程序模型来说,如果实现了通过针对该应用设计的专属定制芯片,那在执行完全相同的任务时,将比普通图形引擎更节能。而苹果是如何做到呢?

Srouji进一步指出,Neural Engine的秘密在于其能够进行矩阵乘法(matrix multiplications)以及浮点处理(floating-point processing)。

A11 Bionic 里的Neural Engine只进行专门的一些任务处理而已,并不进行通用化用途。Schiller在旁补充道,脸部识别、AR物件侦测以及在即时状态下进行生动表情符号(Animoji)脸部追踪等,是其特殊运算任务中的几项。

除此之外,苹果不愿多做阐述了, 对这个神经引擎不愿透露更多细节。

▲ 在苹果的一个秘密实验室中展开的对芯片耐久性的测试

毕竟,一贯嗅觉敏感的苹果,自行为产品设计处理器,是它与竞争对手的最大区别之一。

由自家的工程师来设计处理器,苹果可以完美的将硬件和软件进行优化和结合,同时还可以对处理速度以及电池续航能力进行掌控。比如,在芯片(通常叫 系统芯片 ,即 soc)内部的元件里,包含有一种图像信号处理器以及储存控制器,可以让苹果为拍照以及储存照片设计功能,就像 iphone 5s 带有的连拍模式(burst mode)。

自主芯片研发还为苹果带来一项收益, 苹果的工程师可以与设计师进行合作,一起为一些领先几年的新功能进行保密,而不必提前去通知 芯片厂商 尤其是三星,因为他们是苹果最主要的芯片代工厂商。

毫无疑问,芯片对苹果的重要性,而 Srouji 却是在这家全球最能赚钱的公司里掌握着可能是最重要的部门。

▲ A11 Bionic 芯片上自主研发GPU

自主设计半导体是相当冒险的决定。这种大约仅有邮票大小的 微处理器 是所有计算机设备中最重要的部件,但 Srouji 却说这项研究很有趣,“苹果的芯片架构师是艺术家,工程师则是巫师。如果一位设计师说‘这很难’,我就会首先想到,只要存在理论上的可能性,就算是很难也是可以实现的。”

Srouji 是以色列人,加入苹果之前曾为英特尔和 ibm 工作,他体格强壮,为人热情,会说一口流利的阿拉伯语、希伯来语和法语,他的英语带有一点口音。如果有哪个项目与苹果相关,Srouji 的态度一向都是“困难才是正确的,因为简单代表着浪费时间”。

-END-

结束了吗?

对待苹果一定要有 One more thing

苹果A11 Bionic 到底有多强?附上暴力跑分测试结果

根据Geekbench测试结果, A11 Bionic与 iOS、Android、PC平台横向对比

iOS 跑分排行榜

从成绩来看,A11 Bionic 处理器的单核成绩最高达到了 4195 分,多核心成绩超过 10000 分。不仅超越 A10 Fusion,连 iPad Pro 上的 A10 X Fusion 也给秒了。

Android集体跪了

横向对比来看,Android 阵营最强的三星 Galaxy S8、Note 8 上搭载的 Exynos 8895,单核心成绩只有 1965 分,而多核心成绩不过 6494 分。显然,苹果 A11 Bionic 再一次吊打 Android 阵营,而且在多核心的成绩上实现了大幅度的超越。

▲ Android 多核心成绩排名

与PC平台对比

PC 平台来看,Intel Core i3-7350K 单核跑分最高(4.2GHz),达到 6022 分;多核心性能,Intel Core i9-7900X 目前最高(3.3GHz,10 核心),达到 33622 分。按分值片面计算,A11 的多核性能相当于 Core i9-7900X 的三分之一。单核性能相当于 Core i3-7350K 的 70%。

▲ PC 平台单核心成绩排名

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